DE19847707A1 - Method and device for the determination of O¶2¶ and N¶2¶O in gas mixtures - Google Patents
Method and device for the determination of O¶2¶ and N¶2¶O in gas mixturesInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von O¶2¶ und N¶2¶O in Gasgemischen durch quantitative elektrochemische Umsetzung, bei dem einer Zink-Luft-Zelle ein Gasgemisch zugeführt wird, wobei die Gaskathode mit dem Gasgemisch in Verbindung steht und die Elektroden der Zink-Luft-Zelle an ein Netzwerk, bestehend aus Dioden und Widerständen, angeschlossen sind und auf mindestens zwei elektrochemische Arbeitsbereiche eingestellt werden, wobei der im jeweiligen Arbeitsbereich fließende Strom zur Anzeige des Anteils von O¶2¶ und N¶2¶O im Gasgemisch verwendet wird. DOLLAR A Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, welche aus einem das Gasgemisch (5) und eine Zink-Luft-Zelle (1) aufnehmenden Gehäuse (2, 3) und einer mit den Elektroden der Zink-Luft-Zelle (1) verbundenen Schaltung besteht, die Dioden (7, 8) und Widerstände (9, 10) sowie Abgriffspunkte (11, 12) und Anordnungen zur Messung und Anzeige der Stromstärke enthält.The invention relates to a method for determining O¶2¶ and N¶2¶O in gas mixtures by quantitative electrochemical conversion, in which a gas mixture is fed to a zinc-air cell, the gas cathode being connected to the gas mixture and the electrodes the zinc-air cell are connected to a network consisting of diodes and resistors and are set to at least two electrochemical working areas, the current flowing in the respective working area to indicate the proportion of O¶2¶ and N¶2¶O im Gas mixture is used. The invention further relates to a device for carrying out the method, which consists of a housing (2, 3) receiving the gas mixture (5) and a zinc-air cell (1) and a housing with the electrodes of the zinc-air cell ( 1) connected circuit, which contains diodes (7, 8) and resistors (9, 10) as well as tap points (11, 12) and arrangements for measuring and displaying the current.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung von Sauerstoff (O2) und Lachgas (N2O) in Gasgemischen durch quantitative elektrochemische Umsetzung.The invention relates to a method and a device for determining oxygen (O 2 ) and nitrous oxide (N 2 O) in gas mixtures by quantitative electrochemical conversion.
Aus dem Dokument US-Re 31,914 ist ein elektrochemisches Verfahren zur Bestimmung von giftigen Gasen in der Luft bekannt. Weiterhin beschreiben die Dokumente US-A 4,495,051, US-A 4,894,138 und US-A 4,914,424 galvanische Zellen, die als Sauerstoffsensoren einge setzt werden. Insbesondere offenbart das Dokument WO 97/35186 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung des Sauerstoffanteils in der medizinischen Beatmungsgeräten zugeführten Atemluft. Dabei wird eine alkalische Zink-Luft-Zelle als Sensor eingesetzt.From document US-Re 31,914 an electrochemical method for the determination of known toxic gases in the air. Furthermore, documents US-A 4,495,051 describe US-A 4,894,138 and US-A 4,914,424 galvanic cells, which are used as oxygen sensors be set. In particular, document WO 97/35186 discloses one method and one Device for determining the oxygen content in medical ventilators supplied breathing air. An alkaline zinc-air cell is used as a sensor.
Alkalische Zink-Luft-Zellen werden als Knopfzellen in großen Stückzahlen weltweit herge stellt und als Primärzellen besonders in Hörgeräten verwendet. Begrenzt man die Heranfüh rung des Sauerstoffs durch Strömungs- und/oder Diffusionshemmnisse, so wird der maximal lieferbare Strom zum Grenzstrom und ist dann nur noch von der Sauerstoffkonzentration des an die O2-Kathode angrenzenden Mediums abhängig. Die Zink-Luft-Zelle wird damit zu einer Sensorzelle für die Sauerstoffkonzentrationsmessung oder für die Sauerstoff mengenmessung beim Einsatz in einem abgeschlossenen Volumen.Alkaline zinc-air cells are produced in large quantities as button cells worldwide and are used as primary cells, especially in hearing aids. If the introduction of oxygen is limited by flow and / or diffusion barriers, the maximum current that can be supplied becomes the limit current and is then only dependent on the oxygen concentration of the medium adjacent to the O 2 cathode. The zinc-air cell thus becomes a sensor cell for oxygen concentration measurement or for oxygen quantity measurement when used in a closed volume.
Bei der Überwachung der Atemluft von Patienten in der Lachgas-Narkose wurde gefunden, daß die Messung des Sauerstoffgehaltes allein nicht ausreichend ist, sondern daß auch die Lachgaskonzentration kontrolliert werden muß.When monitoring the breathing air of patients under nitrous oxide anesthesia, it was found that the measurement of the oxygen content alone is not sufficient, but that the Laughing gas concentration must be checked.
Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestim mung von Sauerstoff (O2) und Lachgas (N2O) in Gasgemischen anzugeben, mit der Sauer stoff und Lachgas in der Atemluft nebeneinander bestimmt werden können.The invention has for its object to provide a method and an apparatus for determination of oxygen (O 2 ) and nitrous oxide (N 2 O) in gas mixtures with which oxygen and laughing gas in the breathing air can be determined side by side.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das gattungsgemäß in Anspruch 1 angegebene Verfahren mit den dort dargelegten Merkmalen gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens, die erfindungsgemäße Vorrichtung sowie vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben.The object is achieved by the type specified in claim 1 Process solved with the features set out there. Further advantageous configurations of the method, the device according to the invention and advantageous embodiments of the Device are specified in the subclaims.
Die Einstellung der elektrochemischen Arbeitsbereiche wird durch die Einstellung von Spannungsbereichen vorgenommen. Dabei wird ein unterer Spannungsbereich von 0,4 bis 0,8 V und ein oberer Spannungsbereich von 0,8 bis 1,5 V eingestellt. The setting of the electrochemical work areas is done by setting Tension ranges made. A lower voltage range of 0.4 to 0.8 V and an upper voltage range of 0.8 to 1.5 V.
Die nahezu gleichzeitige Bestimmung von Lachgas und Sauerstoff erfolgt vorzugsweise dadurch, daß zur Einstellung des unteren Spannungsbereichs eine Diode zeitweilig überbrückt wird.The almost simultaneous determination of laughing gas and oxygen is preferably done in that a diode is used temporarily to set the lower voltage range is bridged.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens besteht aus einem das Gasgemisch und eine Zink-Luft-Zelle aufnehmenden Gehäuse, einer mit den Elektroden der Zink-Luft-Zelle verbundenen Schaltung, welche Dioden und Widerstände, sowie Abgriffs punkte und Anordnungen zur Messung und Anzeige der Stromstärke enthält. Die Schaltung enthält vorzugsweise einen periodisch betätigbaren Überbrückungsschalter, der mindestens einer der Dioden parallel geschaltet ist. Die Schaltung wird in der Weise weiter ausgebildet, daß die Dioden Zener-Dioden sind.The inventive device for performing the method consists of a Gas mixture and a zinc air cell housing, one with the electrodes of the Zinc-air cell connected circuit, which includes diodes and resistors, as well as tap contains points and arrangements for measuring and displaying the current. The circuit preferably includes a periodically actuated bypass switch that at least one of the diodes is connected in parallel. The circuit is further developed in such a way that the diodes are zener diodes.
Umfangreiche experimentelle Untersuchungen haben ergeben, daß sich an der Sauer stoffelektrode einer Zink-Luft-Zelle mit Aktivkohle als Katalysator Lachgas inert verhält. Nur an Elektroden aus Silber oder mit Silber katalysierter Kohle sowie an Elektroden mit Platin als Katalysator findet man im Spannungsbereich zwischen 0,45 V und 0,9 V eine kathodi sche Reduktion des Lachgases, bei der Stickstoff als Reaktionsprodukt erscheint. In diesem Bereich aber reagiert auch Sauerstoff.Extensive experimental studies have shown that the Sauer Material electrode of a zinc-air cell with activated carbon as a catalyst laughing gas behaves inertly. Just on electrodes made of silver or silver catalyzed coal as well as on electrodes with platinum As a catalyst, a cathode is found in the voltage range between 0.45 V and 0.9 V. reduction of the nitrous oxide, in which nitrogen appears as a reaction product. In this But the area also reacts to oxygen.
Für die Lösung der Aufgabe, die Konzentration von Sauerstoff und Lachgas in einem Misch gas mit einer Zelle zu bestimmen, wurde die folgende Methode entwickelt. Sie wird vom Spannungsbereich einer Zelle mit einer Zinkanode und einer Gaskathode in alkalischer Lö sung bestimmt. Unterhalb einer Spannung von 0,4 V fließt in inerter Atmosphäre ein elektri scher Strom mit kathodischer Wasserstoffentwicklung an der Gaselektrode. Bei Anwesenheit von Lachgas wird dieses kathodisch reduziert, der Stromfluß endet bei etwa 0,9 V. Bei höhe ren Spannungen ist das Lachgas inert. Bei Anwesenheit von Sauerstoff wird dieser im gan zen Spannungsbereich bis etwa 1,45 V reduziert. Ab 1,6 V ist auch Sauerstoff inert.For the solution of the task, the concentration of oxygen and nitrous oxide in a mixture To determine gas with a cell, the following method was developed. It is from Voltage range of a cell with a zinc anode and a gas cathode in alkaline solution solution. Below a voltage of 0.4 V an electri flows in an inert atmosphere shear current with cathodic hydrogen evolution at the gas electrode. In presence Nitrous oxide reduces this cathodically, the current flow ends at about 0.9 V. At high tensions, the nitrous oxide is inert. In the presence of oxygen, this is gan zen voltage range reduced to about 1.45 V. From 1.6 V, oxygen is also inert.
Erfindungsgemäß erfolgt die Bestimmung von Sauerstoff und Lachgas nebeneinander in der einer Zelle zugeführten Atemluft dadurch, daß nacheinander zwei Strommessungen in un terschiedlichen Spannungsfenstern durchführt werden. Ein unteres Spannungsfenster erfaßt den Spannungsbereich von 0,4 V bis 0,8 V und ein oberes Spannungsfenster den Spannungsbereich von 0,8-1,5 V.According to the invention, oxygen and nitrous oxide are determined next to one another in the Breathing air supplied to a cell by the fact that two current measurements in un different voltage windows can be carried out. A lower voltage window is captured the voltage range from 0.4 V to 0.8 V and an upper voltage window Voltage range from 0.8-1.5 V.
Eine erfindungsgemäße Meßvorrichtung mit einer Schaltung, mit der zwei Spannungsfenster erzeugt werden, ist in Fig. 1 schematisch dargestellt. A measuring device according to the invention with a circuit with which two voltage windows are generated is shown schematically in FIG. 1.
Gemäß der Figur befindet sich eine handelsübliche Zink-Luft-Knopfzelle 1 in einer Aufnahmehalterung 2. Die Aufnahmehalterung 2 ist in den nur teilweise dargestellten Gasprobenraum 3 so eingesetzt, daß die Gaseintrittsöffnung 4 der Zink-Luft-Knopfzelle 1 zum Gasprobenraum 3 zeigt. Das Gasgemisch 5, welches im wesentlichen Stickstoff, Sauerstoff, Lachgas und Kohlendioxid enthält, steht dadurch in Kontakt zur Gaskathode 6 der Zink-Luft-Knopfzelle 1. Die an die Zink-Luft-Knopfzelle 1 angeschlossene Schaltung besteht aus Dioden 7, 8, vorzugsweise Zener-Dioden und Widerständen 9, 10. Die Dioden 7 und 8 bestimmen ein unteres Spannungsfenster, welches an den Abgriffpunkten 11 ausge wertet wird. Weiterhin ist ein Überbrückungsschalter 13 vorgesehen. Mit dem Über brückungsschalter 13 kann die Diode 8 überbrückt werden, so daß dann Diode 7 allein ein oberes Spannungsfenster für die Gaszelle bestimmt. Sobald Sauerstoff vorhanden ist, kann in dem unteren Spannungsfenster an den Abgriffpunkten 11 und in dem oberen Span nungsfenster an den Abgriffpunkten 12 ein Strom gemessen werden, der in beiden Spannungsfenstern bei Abwesenheit von Lachgas gleich groß ist, wenn die Grenzstrombe dingung erfüllt ist. Ist nur Lachgas vorhanden, so fließt Strom nur im oberen Spannungs fenster, das untere Spannungsfenster bleibt stromlos. Sind Lachgas und Sauerstoff vorhan den, so fließen in den beiden Spannungsfenstern unterschiedliche Ströme, aus denen durch - bei spielweise gewichtete - Differenzbildung die Konzentrationen von Sauerstoff und Lach gas im Gasgemisch bestimmt werden können.According to the figure, a commercially available zinc-air button cell 1 is located in a holder 2 . The holder 2 is inserted into the gas sample space 3, which is only partially shown, in such a way that the gas inlet opening 4 of the zinc-air button cell 1 faces the gas sample space 3 . The gas mixture 5 , which essentially contains nitrogen, oxygen, laughing gas and carbon dioxide, is in contact with the gas cathode 6 of the zinc-air button cell 1 . The circuit connected to the zinc-air button cell 1 consists of diodes 7 , 8 , preferably Zener diodes and resistors 9 , 10 . The diodes 7 and 8 determine a lower voltage window, which is evaluated at the tapping points 11 . Furthermore, a bypass switch 13 is provided. With the bypass switch 13 , the diode 8 can be bridged, so that then diode 7 alone determines an upper voltage window for the gas cell. As soon as oxygen is present, a current can be measured in the lower voltage window at the tapping points 11 and in the upper voltage window at the tapping points 12, which current is the same in both voltage windows in the absence of nitrous oxide if the limiting current condition is met. If only nitrous oxide is present, current only flows in the upper voltage window, the lower voltage window remains without current. If laughing gas and oxygen are present, different currents flow in the two voltage windows, from which the concentrations of oxygen and laughing gas in the gas mixture can be determined by, for example, weighted difference formation.
Die Betätigung des Schalters 13 ermöglicht den Wechsel von einem Spannungsfenster in das andere. Für die Einstellung des stationären Stromes benötigt die Meßanordnung eine gewisse Zeit, die durch die Zeitkonstanten der mechanischen und elektrochemischen Vor gänge und damit durch die konstruktiven Gegebenheiten bestimmt wird. Wird der Schalter 13 mit einer gewissen Frequenz als Flip-Flop hin- und hergeschaltet, so entsteht ein Strom signal mit einer Gleichstrom- und einer Wechselstromamplitude. Letztere ist ein Maß für den Lachgasanteil.The actuation of the switch 13 enables the change from one voltage window to the other. For the adjustment of the stationary current, the measuring arrangement requires a certain amount of time, which is determined by the time constants of the mechanical and electrochemical processes and thus by the structural conditions. If the switch 13 is switched back and forth with a certain frequency as a flip-flop, a current signal with a direct current and an alternating current amplitude is produced. The latter is a measure of the amount of nitrous oxide.
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